Một số Chuyên đề Sinh học 12 - Chuyên đề: Vi sinh vật

MỘT SỐ CHUYÊN ĐỀ SINH HỌC 
Chuyên đề: VI SINH VẬT
I. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA VI SINH VẬT
	Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ các sinh vật có hình thể nhỏ bé, muốn thấy rõ người ta phải sử dụng tới kinh hiển vi.
Vi sinh vật không phải là một nhóm riêng biệt trong sinh giới. Chúng thậm chí thuộc về nhiều giới sinh vật khác nhau. Giữa các nhóm có thể không có quan hệ mật thiết với nhau. Vi sinh vật bao gồm: vi khuẩn (giới khởi sinh), động vật nguyên sinh và vi tảo (thuộc giới nguyên sinh), vi nấm (thuộc giới nấm) và virut.
	Đặc điểm chung của vi sinh vật là:
	- Kích thước nhỏ bé: kích thước của vi sinh vật rất nhỏ bé thường được đo bằng micromet, đối với virut thường được đo bằng nanomet. Do kích thước nhỏ bé nên diện tích bề mặt của một tập đoàn vi sinh vật là rất lớn. Ví dụ số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt là 6m2.
	- Hấp thụ nhiều chuyển hóa nhanh: vi sinh vật tuy có kích thước nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lực hấp thụ và chuyển hóa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao. Ví dụ vi khuẩn Lactic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường Lactose nặng hơn 1000 – 10.000 lần khối lượng của chúng. Chính nhờ đặc điểm này mà vi sinh vật có những tác dụng hết sức to lớn trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người.
	- Sinh trưởng nhanh, phát triển nhanh: So với các sinh vật khác thì vi sinh vật có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực kỳ lớn. Vi khuẩn E. coli trong điều kiện thuận lợi cứ 12 – 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu thời gian thế hệ (generation time) là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, 24 giờ phân cắt 72 lần, từ 1 tế bào ban đầu se sinh ra 4.722.366.500 x 1012 tế bào (năng 4722 tấn). Tuy nhiên thực tế không thể tạo ra các điều kiện lý tưởng như thế nên số lượng vi khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt mức 108 – 109 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men Saccharomyces cerevisiae là 120 phút.
	- Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị: Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt xa so với động vật và thực vật. Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật dã tạo ra cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được với các điều kiện sông rất bất lợi. Số lượng enzym thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật.
	Vi sinh vật rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống. Tần số biến dị ở vi sinh vật thường là 10-5 – 10-10. Hình thức biến dị thường gặp là đột biến gen và dẫn đến những biến đổi về hình thái, cấu tạo, kiểu trao đổi chất, sản phẩm trao đổi chất, tính kháng nguyên, tính đề kháng,.. Ví dụ khi mới tìm ra thuốc kháng sinh Penicillin do nấm Penicillium chrysogenum người ta chỉ đạt sản lượng 20 đơn vị penicillin trong 1ml dịch lên men, ngày nay người ta có thể đạt đến sản lượng 100.000 đơn vị/ml. Bên cạnh các biến dị có lợi, vi sinh vật cũng phát sinh nhiều biến dị có hại đối với nhân lợi như biến dị về tính kháng nguyên.
	- Phân bố rộng chủng loại nhiều: vi sinh vật phân bố khắp nơi trên Trái Đất. Ví dụ trong đường ruột người thường có không dưới 100 – 400 loài vi sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân.
	 Toàn bộ giới động vật có khoảng 1,5 triệu loài, thực vật có khaongr 0,5 triệu loài, Vi sinh vật có khoảng 100 nghìn loài bao gồm 30 nghìn loài động vật nguyên sinh, 69 nghìn loài nấm, 23 nghìn loài vi tảo, 2,5 nghìn loài vi khuẩn lam, 1,5 nghìn loài vi khuẩn, 1,2 nghìn loài virut,
II. VI KHUẨN 
1. Hình thái, kích thước và nhuộm màu
	Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau, kích thước và cách sắp xếp khác nhau. Đường kính vi khuẩn khoảng 0,2 – 2,0 micromet, chiều dài cơ thể khoảng 2 – 8 micromet. Hình dạng chủ yếu của vi khuẩn là hình cầu, hình que, hình dấu phẩy, hình xoắn,
	Tế bào vi khuẩn rất nhỏ, trong suốt nên khi soi dưới kính hiển vi chỉ thấy được đại thể về hình dạng và tình trạng di động. Muốn quan sát kỹ hơn phải tiến hành nhuộm màu. Có nhiều phương pháp nhuộm màu trong đó đáng chú ý là phương pháp nhuộm Gram do Hans Christian Gram tìm ra năm 1884. 
* Phương pháp nhuộm vi khuẩn sống
Phương pháp nhuộm Gram do nhà vi khuẩn học Đan Mạch Hans christian Gram (1853 – 1938) phát minh ra từ đầu năm 1884. Nhờ phương pháp này có thể phân biệt vi khuẩn thành hai nhóm lớn: Vi khuẩn Gram dương (Gram – positive) và vi khuẩn Gram âm (Gram – negative)
Phương pháp nhuộm Gram được tiến hành như sau:
	- Cố định tiêu bản vi khuẩn bằng ngọn lửa
	- Nhuộm thuốc bằng dung dịch tím tinh thể (crystal violet) trong khoảng 1 phút sau đó rửa bằng nước cất
	- Nhuộm tiếp bằng dung dịch Iot (dung dịch Lugol) trong khoảng 1 phút sau đó rửa lại bằng nước cất
	- Phủ lên vết bôi dung dịch etanol 95% : axeton (1:1) trong khoảng 1 phút sau đó rửa lại bằng nước cất
	- Nhuộm tiếp bằng thuốc nhuộm màu đỏ (như safranin hay Fuchsin Ziehl) trong khoảng 30 đến 60 giây sau đó rửa bằng nước cất
	- Để khô và soi kính
Kết quả như sau: 
	Nhóm Gram dương có đặc tính không bị dung môi hữu cơ Etanol, Axeton tẩy phức chất màu giữa tím kết tinh và Iot. Kết quả là màu tím
	Nhóm Gram âm bị dung môi hữu cơ tẩy màu thuốc nhuộm ban đầu do đó sẽ bắt màu với thuốc nhuộm bổ sung (đỏ vàng với Safranin, đỏ tía với Fuchsin). 
2. Thành tế bào (cell wall)
	Lớp cấu trúc ngoài cùng có vai trò:
	- Duy trì ngoại hình của tế bào
	- Hỗ trợ sự chuyển động của tiên mao
	- Giúp tế bào vi khuẩn đề kháng với các tác động từ bên ngoài như áp suất thẩm thấu.
	- Cần thiết cho quá trình phân cắt bình thường của tế bào
	- Cản trở sự xâm nhập vào tế bào của một số chất có hại 
	- Liên quan mật thiết với tính kháng nguyên, tính gây bệnh, chẳng hạn như khả năng sinh nội độc tố, tính mẫn cảm với thể thực khuẩn.
Thành phần cấu tạo của thành tế bào rất phức tạp. Giữa Gram dương và Gram âm có nhiều khác nhau.
Hai nhóm vi khuẩn Gram dương và Gram âm có các đặc điểm khác nhau cơ bản
Thành phần
Tỉ lệ % đối với khối lượng khô của thành tế bào vi khuẩn
G+
G-
Peptidoglican 
Axit teicoic
Lipoit 
Protein
30 – 95 
Cao 
Hầu như không có
Không có hoặc ít
5 – 20 
0
20
cao
Trong quá trình nhuộm Gram tế bào trước hết được xử lý với tím tinh thể (crystal violet) rồi với Iot. Kết quả là có sự tạo thành phức chất tím tinh thể - Iot bên trong tế bào. Khi phủ lên dung môi hữu cơ Etanol, Axetol thì vi khuẩn Gram âm bị tẩy, lipit của lớp màng ngoài bị tan làm tăng tính thấm của màng dẫn đến sự rửa trôi phức chất tím tinh thể
- Iot và làm cho vi khuẩn mất màu. Khi nhuộm bổ sung chúng sẽ bắt màu với thuốc nhuộm này (màu đỏ vàng với Safranin, đỏ tía với Fuchsin).Đối với nhóm gram dương dung môi hữu cơ Etanol, Axetol làm cho các lỗ trong Peptidoglican co lại do đó phức chất tím tinh thể - Iot bị giữ lại trong tế bào./.
Vai trò của các thành phần trên như sau
	- Peptidogican là loại polime xốp, không tan, khá cứng và bền vững bao quanh tế bào như một mạng lưới. Cấu trúc cơ bản của peptidoglican gồm 3 thành phần:
	+ N – axetylglucozamin
	+ Axit N – axetylmuramic 
	+ Tetrapeptit chứa cả L và D axit amin
Để tạo thành mạng lưới cứng, Tetrapeptit trên mỗi chuỗi peptidoglican (PG) liên kết chéo với các Tetrapeptit trên chuỗi khác. Đồng thời các thành phần của lưới phải được liên tục mở ra bởi các enzym autolizin để polime mới có thể lắp thêm vào và tế bào có thể sinh trưởng và phân cắt.
	Ở vi khuẩn Gram âm lớp ngoài cùng của thành tế bào là 2 lớp lipopolisaccarit đan xen với các phân tử protein có chức năng chống lại sự tấn công của các vi khuẩn khác. Thành tế bào có thể cho các chất dinh dưỡng đi qua nhưng lại có thể ngăn cản các chất độc hại.
	Thành tế bào của vi khuẩn Gram dương có thể bị phá hủy hoàn toàn để trở thành thể nguyên sinh khi chịu tác động của Lizozim. Thành tế bào Gram âm có sức đề kháng tốt hơn với lizozim nên bị phá hủy ít hơn với lizozim.
	Vi khuẩn Gram dương có tới 50% khối lượng khô của thành tế bào là peptidoglican trong khi đó Gram âm tỷ lệ này khoảng 5 – 10%
	- Axit teicoic : thành phần đặc trưng của thành tế bào vi khuẩn Gram dương. Là polime của ribitol và glixerol photphat liên kết với PG hoặc màng tế bào chất. Do tích điện âm axit teicoic giúp cho việc vận chuyển các ion dương vào, ra tế bào và giúp tế bào dự trữ photphat. Ngoài ra teicoic còn liên quan đến kháng nguyên bề mặt và tính gây bệnh của một số vi khuẩn Gram dương (gọi là thụ thể hấp thụ được biệt đối với một số thể thực khuẩn).
	- Lipoit : Vi khuẩn Gram âm có thành phần LPS (lipopolisaccrit) dày khoảng 8 – 10nm và cấu tạo bởi 3 thành phần :
	+ Lipit A : 2 phân tử N – axetylglucozamin, 5 chuỗi dài axit béo
	+ polisaccarit lõi gồm vùng lõi trong là 3 phân tử KDO (ketodexyoctulosomic acid), 3 phân tử Hep (L – Glixerin – D – heptose) và vùng lõi ngoài là các phân tử hexose (gồm glucozamin, galactose, glucose)
	+ Kháng nguyên O : phần polisaccarit vươn khỏi màng vào môi trường gồm các phân tử Hexose
Phần Lipit A là nội độc tố của vi khuẩn gây ra sốt, tiêu chảy, phá hủy hồng cầu và dẫn đến sốc.
	Kháng nguyên O quyết định nhiều đặc tính huyết thanh của vi khuẩn có chứa LPS và là thụ thể của thể thực khuẩn.
	- Protein : gồm các loại cơ bản sau
	+ Protein cơ chất như porin ở vi khuẩn E.coli còn gọi là protein lỗ nằm xuyên suốt qua màng ngoài và cho phép đi qua chúng một số loại phân tử như đường, axit amin, dipeptit, các ion vô cơ,..
	+ Protein màng ngoài chức năng vận chuyển chuyên biệt một số phân tử khá lơn và đưa chúng đi qua màng ngoài như vitamin B12, nucleotit, 
	+ Lipoprotein có vai trò liên kết giữa PG bên trong với lớp màng ngoài.
III. DINH DƯỠNG CỦA VI SINH VẬT
1. Nguồn thức ăn Cacbon của vi sinh vật
	Căn cứ vào nguồn thức ăn Cacbon chia vi sinh vật thành các nhóm sinh lí sau
	- Nhóm tự dưỡng gồm :
	+ Tự dương quang năng : nguồn Cacbon là CO2 nguồn năng lượng là ánh sáng 
	+ Tự dưỡng hóa năng : nguồn Cacbon là CO2 nguồn năng lượng là một số hợp chất vô cơ đơn giản
	- Nhóm dị dưỡng gồm :
	+ Dị dưỡng quang năng : nguồn Cacbon là chất hữu cơ, nguồn năng lượng là ánh sáng ví dụ vi khuẩn Lưu Huỳnh màu tía
	+ Dị dưỡng hóa năng : nguồn Cacbon là chất hữu cơ nguồn năng lượng là từ sự chuyển hóa trao đổi chất của chất nguyên sinh của một cơ thể khác ví dụ động vật nguyên sinh, nấm
	+ Hoại sinh : nguồn Cacbon là chất hữu cơ nguồn năng lượng là từ sự trao đổi chất của chất nguyên sinh các xác hữu cơ. Ví dụ nấm
	+ Ký sinh : nguồn Cacbon là chất hữu cơ nguồn năng lượng lấy từ cac tổ chức hoặc dịch thể của một cơ thể sống
	Giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào hai yếu tố : Một là thành phần hóa học và tính chất sinh lý của nguồn thức ăn, hai là đặc điểm sinh lý của từng loại vi sinh vật.
2. Nguồn thức ăn Nitơ của vi sinh vật
	Nguồn Nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+ , tất cả các vi sinh vật đều có khả năng sử dụng muối amoni. Trường hợp những loại vi sinh vật không phát triển được trên các môi trường chứa muối amoni nguyên nhân không phải ở bản thân gốc NH4+ mà là ở độ chua sinh lý do các muối này tạo ra. Sau khi đồng hóa gốc NH4+ trong muôi trường sẽ tích lúy nhiều các anion vô cơ (SO42- , HPO42-, Cl-,) và vì thế mà làm hạ thấp trị số pH của môi trường. Muối amoni của các axit hữu cơ ít làm chua môi trường hơn do đó được sử dụng nhiều hơn. Ure là nguồn thức ăn Nitơ trung tính về mặt sinh lý. Khi bị phân giải bởi Ureaza, ure giải phóng thành NH3 và CO2. Phần NH3 được vi sinh vật sử dụng không làm chua môi trường.
	Nhiều khi để nuôi cấy vi sinh vật bằng nguồn Nitơ là Ure người ta phải bổ sung thâm muối amoni (như amoni sunphat). Sở dĩ làm như vậy vì phải có nguồn Nitơ dễ hấp thụ cho vi sinh vật sinh trưởng phát triển thì mới có thể sản sinh ra ureaza để thủy phân Ure.
	Ngoài ra một số vi sinh vật không thể phát triển được trên môi trường chỉ có thức ăn Nitơ là muối amoni không phải không đồng hóa được muối này mà chúng đòi hỏi phải được cung cấp thêm một vài các axit amin không thay thế nào đó.
	Nguồn Nitơ dự trữ nhiều nhất là nguồn khí Nitơ tự do có trong khí quyển. Tuy nhiên đa số vi sinh vật không có khả năng đồng hóa khi Nitơ trong không khí. Chỉ một số ít các vi sinh vật có thể chuyển hóa N2 thành NH3 nhờ hoạt động của enzym nitrogenaza người ta gọi những vi sinh vật này là vi xinh vật cố định Nitơ còn quá trình này gọi là quá trình cố định Nitơ.
Nitrogenaza
	Qúa trình khử Nitơ dưới xúc tác của nitrogenaza có thể được biểu thị vắn tắt như sau :
N2 + 6e + 12ATP + 12H2O 2NH4+ + 12ADP + 12Pi + 4H+